[科普中国]-智能微网能量优化

背景

智能电网是一种智能技术系统，它包括优先使用清洁能源、动态定价以及通过调整发电、用电设备功率优化负载平衡等特点。终端用户不仅能从电力公司直接购买用电，同时还可以从储能设备中获取新能源和清洁能源，例如太阳能、风能，燃料电池、电动汽车等。另一方面智能电网具备高速、双向的通信系统，供电端与用电端实现实时通信、并且系统能够保证电网安全、稳定和优化运行。具有坚强、自愈、兼容、优化等特征。

微电网是一种新型的网络结构，是实现主动式配电网的一种有效的方式。由一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元，可实现对负荷多种能源形式的高可靠供给。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压低及污染低等特点。开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，使传统电网向智能网络的过渡。

微电网的组成及结构微电网是由多种分布式电源（既包含有非可再生能源发电的燃料电池、微型燃气轮机；又包含可再生能源发电的风力和光伏发电单元等），再加上控制装置、储能装置和用电负荷共同组成。微电网的组成结构十分灵活，可以满足某片区域的特殊供电需求。微电网不仅可以通过公共连接点（PCC）与大电网连接，采用并网运行模式；还可以在大电网电能质量下降或者电网故障而影响到微电网内负荷正常用电时，在公共连接节点（PCC）处与大电网断开，采用孤岛运行模式。

典型的微电网结构如图 所示。它是由热电联产源（CHP）如微型燃气轮机、燃料电池，非CHP源如风力发电机组、光伏电池组及储能装置等组成。微电源和储能设备通过微电源控制器（MC）连接到馈线 A和C。微电网通过公共连接点（PCC）连接到配网中进行能量交换，双方互为备用，提高了供电的可靠性。1

微电网电源的组成及特性微型电源的类型多种多样，包括风力发电机组、太阳能光伏电池、微型燃气轮机、燃料电池和蓄电池等。

1、 风力机组发电

在各种新能源利用过程中，风力发电是最重要的一种形式。风力发电是通过天然风吹动风机叶片带动发电机转子旋转而发电。风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、发电机、电力电子接口、变压器等主要部分组成。风力发电机(WT)发出的电能是经风能转化而来。风力发电机通过利用叶轮旋转将风的动能转化为机械能，然后叶轮通过机械驱动力系统带动发电机，发电机再将机械能转化为磁场的能量，并最终转化为电能。

风电的输出功率与风速大小有直接关系，具有明显的间歇性和随机性。当风速小于风力发电机组的切入风速时，发电机组不工作，即不发电；当风速大于切入风速后，发电机组开始并网发电，此时风机机组的输出功率随着风速的增大而增大；当风速增大到风力发电机组的额定风速时，其输出功率基本稳定在发电机组的额定输出功率。当风速继续增大至超出切出风速时，风力机组将抱闸停机，以保护风力机组不被大风损坏。2

2、太阳能光伏发电

光伏发电技术直接将光能转化为电能，根据太阳电池半导体材料的光伏效应，产生直流电能。太阳能发电技术主要包括了太阳能光伏发电和太阳能热发电，在微电网中，主要采用太阳能光伏发电。按照运行方式的不同，光伏发电系统分为独立运行系统和并网运行系统。独立光伏发电系统是指仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统。并网光伏发电系统是将太阳能电池发出的直流电逆变成交流电，与电力网并联运行，该方式下可避免了安装储能蓄电池，节省费用。

太阳能光伏发电（PV）的基本原理是利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏打效应，当光照射到太阳能电池上时，在其PN结两端就会产生电压，从而将太阳的辐射能转变为了电能。太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，即光伏电池。光伏电池的运行特性与光照强度和光伏电池的运行温度直接相关，而光照强度和运行温度的随机性与波动性较大，这使得光伏电池的发电输出功率持续变化。光伏电池输出功率与短路电流随着光照强度的增强而成比例增大，开路电压随着光照强度的增强而缓慢增大，开路电压和输出功率与环境温度成反比，短路电流随着环境温度的上升而缓慢增加。因此，光伏电池是一种间歇性极强的分布式电源，它不具备有功输出的调节能力，因此也就无法满足微电网电压和频率调节功能。

3、微型燃气轮机发电

可再生能源技术和热电联产技术是分布式能源技术的两个重要分支。可再生能源利用技术力求“开源”，而热电联产技术重在“节流”。热电联产与可再生能源在技术上彼此独立，而在应用当中优势互补，集中体现了分布式能源的特点和优势。微型燃气轮机正是热电联产在微电网中的一个重要应用。

微型燃气轮发电机组由微型燃气轮机、燃气轮机直接驱动的内置式高速逆变发电机和数字电力控制器（DPC）等部分组成，其中的核心设备——微型燃气轮机（MT）是一种新型的小型热力发电机，由燃气轮机、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电力控制部分构成，功率范围在数百千瓦以下，以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料，采用回热式循环。其发电效率可达 30%，如实行热电联产，效率可提高到 75%。

微型燃气轮机的工作原理是：从离心式压缩机出来的高压空气现在回热器内由涡轮排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡轮做功，带动高速发电机发电。发电机首先发出高频交流电，然后转换成高压直流电，再转化为工频交流电。而通过透平排出的高温尾气可用来预热燃烧室中的压缩空气，从而减少燃烧过程中的燃料消耗，提高系统能源的综合利用效率。回热器排出的尾气可以通过溴化锂制冷机或热交换器来满足冷、热负荷的需求。2

4、燃料电池发电

燃料电池发电装置是一种综合的能量转换装置，反应过程中产生的热能可回收外供，产生的直流电可由换流器转换成交流电。燃料电池发电系统由以下几个部分组成：

1）燃料供给转换装置，包括给煤器和煤气发生器；

2）空气供给装置，包括过滤器和空气压缩机；

3）电池本体，包括电极、电解质和外电路；

4）热量回收装置，即余热锅炉。

作为燃料电池发电系统的最重要装置——燃料电池（FC）是一种将燃料化学能转换为电能的发电设备。其发电原理是将天然气、甲酫等含氢燃料与空气等氧化剂反应，通过电化学反应过程中氢氧离子的定向移动，在外部电路产生电位差，形成低压直流电。

5、蓄电池发电

储能装置在微电网中主要起到了以下两种作用：

1）能量缓冲。风力发电、光伏发电等可再生能源发电具有间歇性和不稳定性的特点，而可控微源如微型燃气轮机和燃料电池对负荷波动反应较慢。因此微电网中必须装设相当容量的储能装置来保证微电网运行的可靠性。

2）削峰填谷。当微电网系统的自然能源充足时，发出的多余电能可以通过储能装置储存起来，减少能源的浪费；当系统的自然能源匮乏时，储能装置又能为系统提供一定的电能，保证系统的正常运行。因此，基于系统可靠性与经济性的考虑，微电网都应配备一定数量的储能装置。

当前的储能技术主要有以下三类：

1）化学储能，包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池等蓄电池；

2）物理储能，包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等；

3）电磁储能，包括超级电容器储能、超导储能等。而其中蓄电池以价格低廉、性能稳定等优点在微电网中得到了广泛的应用。

蓄电池的性能参数主要包括：电池容量、荷电状态、放电深度、充电深度、循环寿命等几个方面。1

微电网的优化调度微电网优化调度是一种非线性、多模型、多目标的复杂系统优化问题。传统电力系统的能量供需平衡是优化调度首先要解决的问题。微电网作为一种新型的电力系统网络也是如此。微电网能量平衡的基本任务是指在一定的控制策略下，使微电网中的各分布式电源及储能装置的输出功率满足微电网的负荷需求，保证微电网的安全稳定，实现微电网的经济优化运行。

与传统的电网优化调度相比，微电网的优化调度模型更加复杂。

首先，微电网能够为地区提高热（冷）/电负荷，因此，在考虑电功率平衡的同时，也要保证热（冷）负荷供需平衡。

其次，微电网中分布式电源发电形式各异，其运行特性各不相同。而风力发电、光伏发电等可再生能源也易受天气因素影响。同时这类电源容量较小，单一的负荷变化都可能对微电网的功率平衡产生显著影响。

最后，微电网的优化调度不仅仅需要考虑发电的经济成本，还需要考虑分布式电源组合的整体环境效益。这就无形中增加了微电网优化调度的难度，由原来传统的单目标优化问题转变成了一个多目标的优化问题。

因此，微电网的优化调度必须从微电网整体出发，考虑微电网运行的经济性与环保性，综合热（冷）/电负荷需求、分布式电源发电特性、电能质量要求、需求侧管理等信息，确定各个微电源的处理分配、微电网与大电网间的交互功率以及负荷控制命令，实现微电网中的各分布式电源、储能单元与负荷间的最佳配置。

目前，对含多种分布式电源的微电网优化调度问题，国内外学者已做了一些相关的研究。2